气体重量探求之人生体味，本文主要内容关键词为：气体论文,重量论文,人生论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
50年代小学《自然》课上，老师先用台秤称了一只没打气被挤偏了的小足球的重量，后又打足气再称它的重量，结果发现足球重量增加了（物理学上用空心的黄铜球做此实验，更准确）。“这个实验证明了空气是有重量的。”老师在实验后下了这样的结论。当时我好生奇怪：空气是看不见摸不着的东西，怎么会有重量呢？空气是飘浮地悬在空中的呀！悬空的东西比如飞舞在空中的蜜蜂、蝴蝶它们都没压在秤盘上怎么能称到它们的重量呢？于是我一下课便问老师，老师想了想给我的回答是：空气由很小很小的分子组成，任何再小的东西也有重量，所以空气是有重量的。也不知是老师所答非所问，还是答得太抽象太原则，空气重量之谜我还是没有解开。没想到我童年心中的这一科学之谜竟伴着我走向了少年、青年、成年……
最早我曾想象，老师说的那些空气分子在足球里一定像有翅膀的小天使一样，有的累了会飞落到足球底部休息，与小足球连成一体不再悬空，这就是打气后足球重量增加的原因吧！再说小天使休息好后振翅再飞时，还会双脚掌蹬地弹跳，这也会增加小足球的重量，就像我们在校医室量体重的磅秤上调皮地弹跳指针会转动一样……有了对小天使的想象，我有一种从困惑中“解脱”出来的心安理得感。
上了初中，我很快接触到了分子运动论的初步知识，知道了那样的“小天使”是根本不存在的。于是我又陷入了小学最初的迷惘：悬着的气体（这时已由空气扩展为气体）为什么能使足球重量增加呢？从此以后的几十年中，气体重量之谜在我心中时隐时现，难有端倪。我先想足球内气体对球内下壁产生的压力是足球重量增加的原因。但我转而又想足球内上壁不也同样受到气体的压力吗，这压力方向是往上的，是把球内上壁往上顶的，可使足球重量减轻。足球内气体的分布均匀，往下的压力与往上的“顶力”必然一样大，对球来说等于受到的合力为零（横向压力不影响重量），重量不会增加。那足球所增加的重量究竟从何而来呢？
有这样一道物理趣味题：“一架天平平衡的一端是一只关闭的匣子，匣子里站着一只小鸟，当这只小鸟在匣子里飞起时，天平的这一端会不会翘起来？”我凭着“看似简单的问题往往不简单”的逆反猜想法，猜想一定是“不会翘起来”。正确答案也确实是不会翘起来（只是标准答案，没说为什么）。我寻思这一定是小鸟的翅膀往下扇时触面大而速度快，往上扇时翅膀姿势作了调整，触面小而速度慢，这就造成往下的气流快、压力大，往上的气流慢、压力小。这上下不同压力的反作用力都作用到了小鸟上，正是这反作用力之差正好与小鸟的重量对消把小鸟“托”了起来。从这可以悟出匣里悬空小鸟的重量一定等于上下气流压力之差。
于是我又想：球内往上壁“顶”的气体分子是逆自身重力方向的，“顶力”因此会有所减弱；而往下壁“压”的气体分子是顺自身重力方向的，压力会因此有所增强。结果造成往下的压力大于往上的“顶力”，使打气后的足球重量增加。我的想法似有道理，然而却难以从物理学理论上找到令人信服的证明，从顺逆自身重力方向的角度不能说明足球重量增加的原因。
后来我从下雨时马路上弹起的小水珠总是靠下水的密度大而靠上密度小，特别是再后又从地球上越往高空空气密度越小的事实中受到启发，推测足球内气体的分布也一定受到地球引力作用，下部密度大而上部密度小（只不过足球内高度有限，这种差异很小，人们没法感觉到罢了），气体对下球壁的压力会稍稍大于对上球壁的压力（“顶力”），这上下压力的合力，对球来说不会是零，而有一个向下的压力差--此即打气后足球增加的重量。由于展开充分的想象后，觉得足球所增加的重量只可能这样产生，所以我推而广之地认为：封闭的真空容器充气后，所增加的重量来源于、也等于上下气压之差。
可不久又有一个温度问题开始对我“足球增加的重量等于上下压差”的自圆其说产生了质疑。因为气体的压力与温度成正比，照此推理足球内壁的上下气体压力差自然也会与温度成正比，这岂不等于说足球增加的重量会随温度的变化而变化，与温度成正比吗？！可是同一只足球在太阳底下晒热后，不会比没晒时重（若考虑到热胀冷缩后所受的不同浮力，温度高时还略轻呢），显然用上下气压差来解释足球增加的重量遇到了温度方面的麻烦。出于对足球所增加重量等于上下气压差的直觉信任，我猜想必定是温度升高后，球内气体的运动状态和分布状态发生了两种对重量效应相反的变化：一方面温度升高可使每个气体分子运动加剧，对球壁撞击的力增大，有造成球壁上下压力差增大的趋势；另一方面温度升高所引起的分子运动加剧又可牵动漂聚在下方的气体分子升逸均化到上方去（我曾将此联想到温度越高，烧杯中的水上下翻腾得越易均匀等等），使上下气体密度差减小，进而造成上下压力差减小的趋势。温度变化造成这两种互联的正、反变化，使得球内上下压力差可以不受温度影响而始终保持不变，“打气后足球所增加的重量等于上下气压之差”仍然成立。
“称量小足球实验”只是用事实证明了“气体有重量”，并没有用理论证明“气体有重量”，而上述“增加的重量等于上下压差”，“不受温度变化影响”云云，也只是一种建立在实验基础上的经验直觉，属于猜想推测的范畴，若作为“气体有重量”的理论证明尚不足为凭。对此只有再进行具有严密逻辑的数学量化证明，特别要证明出难以靠实验直观到的“一定体积内所有气体分子微粒的重量之和正好等于其上下气压之差”。只有这样才能使人对“气体有重量”这一科学命题升华到深刻的理性认识。于是我在理论分析的基础上，对“一定体积的气体重量在数值上等于上下气压之差”又进行了数学上量化的定积分证明，总结出了一条气体称量定律的数学表达式，得到了专家教授认同，并获中国教育学会物理教学专业委员会主办的研讨会论文奖，认为是“为我国物理基础教育的发展所作出的贡献”。止此，久久萦绕我脑海的气体重量之谜的谜底总算被揭晓，淤积心头40余年的迷雾疑云为之一扫。
在气体重量的科学“情结”叩击我近半个世纪的人生体验中，我悟出了人有一种对理性美追求的天性。人不愿降格到像一般动物那样懵懵懂懂地活着，不满足于对周围世界被动的、仅仅感性的知其然，而要通过主动探求其所以然，来满足人类特有理性感知的需要。正是这种强大的内驱力，才使一代又一代的人远离轻佻的浮华和粗俗的喧嚣，在一个个的科学炼狱之门中执着地追求，并从中体味到人生精神思想上的极大欢悦。